JP2005524847A - Pressure sensor assembly - Google Patents
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Abstract
圧力センサ組立体(100)は、センサ取付けブロック(104)に取付けられた細長い圧力センサ(102)を含む。保護要素膜(120)は、接触するプロセス流体から圧力センサを妨げるために細長い圧力センサ(102)を覆う。The pressure sensor assembly (100) includes an elongated pressure sensor (102) attached to a sensor mounting block (104). A protective element membrane (120) covers the elongated pressure sensor (102) to prevent the pressure sensor from contacting process fluid.
Description
本発明は、圧力センサに関する。より詳細には、本発明は、腐食性の環境の中で使用される圧力センサに関する。 The present invention relates to a pressure sensor. More particularly, the invention relates to pressure sensors used in corrosive environments.
圧力センサは、産業プロセスにおいて使用されるプロセス流体圧力を測定するために用いられる。測定された圧力は、産業プロセスの動作を監視および/または制御するために用いられる。 Pressure sensors are used to measure process fluid pressure used in industrial processes. The measured pressure is used to monitor and / or control the operation of the industrial process.
圧力センサによって感知されるプロセス流体は、いくつかの実例においては、腐食性であるか、あるいはそうでなければ、非常に純粋な環境を必要とする。そのような設置要件に取り組む1つの技術は、隔離ダイアフラムを用いて、プロセス流体から圧力センサを分離することである。ダイアフラムに印加された圧力が圧力センサに印加されるように、圧力センサは、充満したオイルにより隔離ダイアフラムに連結されている。しかしながら、この隔離技術は、圧力測定に誤差を引き起こす可能性がある。 The process fluid sensed by the pressure sensor is corrosive in some instances, or otherwise requires a very pure environment. One technique that addresses such installation requirements is to isolate the pressure sensor from the process fluid using an isolation diaphragm. The pressure sensor is connected to the isolation diaphragm by filled oil so that the pressure applied to the diaphragm is applied to the pressure sensor. However, this isolation technique can cause errors in pressure measurements.
様々な圧力センサの設計が、従来技術において周知である。1つのタイプの圧力センサは、細長い本質的に壊れやすい材料で作られる。センサ自体は、サファイアのような耐食性材料で作られる。このタイプの圧力センサの例は、次の米国特許に説明されている。1997年6月10日に付与された米国特許5,637,802号、2000年6月27日に付与された米国特許6,079,276号、2000年7月4日に付与された米国特許6,082,199号、2000年7月18日に付与された米国特許6,089,097号、2000年1月6日に出願された米国特許出願09/478,434号、2000年1月6日に出願された米国特許出願番号09/478,383号、2000年1月6日に出願された米国特許出願番号09/477,689号、2000年6月26日に出願された米国特許出願番号09/603,640号、2001年1月5日に出願された米国特許出願番号09/755,346号、および2001年10月15日に出願された米国特許出願09/978,311号。 Various pressure sensor designs are well known in the prior art. One type of pressure sensor is made of an elongated and essentially fragile material. The sensor itself is made of a corrosion resistant material such as sapphire. An example of this type of pressure sensor is described in the following US patent. US Patent No. 5,637,802 granted on June 10, 1997, US Patent No. 6,079,276 granted on June 27, 2000, US Patent granted on July 4, 2000 US Pat. No. 6,082,199, U.S. Pat. No. 6,089,097 granted July 18, 2000, U.S. Patent Application 09 / 478,434, filed Jan. 6, 2000, January 2000 US patent application No. 09 / 478,383 filed on 6th, US patent application No. 09 / 477,689 filed on 6th January 2000, US patent filed on 26th June 2000 Application No. 09 / 603,640, U.S. Patent Application No. 09 / 755,346 filed January 5, 2001, and U.S. Patent Application 09 / 978,311 filed Oct. 15, 2001. .
しかしながら、ある実施例では、細長い圧力センサを取付け構造に結合するために用いられる接合剤またはシールは、あるタイプのプロセス流体によって腐食されるか、または高純度のプロセス流体の汚染源となる可能性がある。 However, in some embodiments, the bonding agent or seal used to couple the elongated pressure sensor to the mounting structure can be eroded by some type of process fluid or can become a source of contamination for high purity process fluids. is there.
圧力センサ組立体は、細長い圧力センサおよびセンサ取付けブロックを含む。細長い圧力センサは、取付けブロック内の開口部を通って延び、シールは、取付けブロックと細長い圧力センサとの間に提供される。保護要素は、接合剤がプロセス流体と接触するのを防ぐために、少くともシールおよび細長い圧力センサ部分を覆う。 The pressure sensor assembly includes an elongated pressure sensor and a sensor mounting block. An elongate pressure sensor extends through an opening in the mounting block and a seal is provided between the mounting block and the elongate pressure sensor. The protective element covers at least the seal and the elongated pressure sensor portion to prevent the bonding agent from contacting the process fluid.
1つの実施例では、圧力センサは、圧力センサの形にほぼ一致する細長いシース内に保持される。シースと圧力センサとの間のパッキング材料は、シースに印加される圧力を圧力センサに伝達するように構成される。 In one embodiment, the pressure sensor is held in an elongated sheath that generally conforms to the shape of the pressure sensor. The packing material between the sheath and the pressure sensor is configured to transmit pressure applied to the sheath to the pressure sensor.
圧力センサは、プロセスを監視し、かつ/または応答して制御するために、プロセス監視およびプロセス制御に用いられる。様々な産業プロセスは、すべての接液部材(すなわちプロセス流体にさらされる材料)が超高純度であることを必要とする。例えば、半導体産業で用いられるいくつかの処理ステップは、プロセス流体に対する超高純度な操作手順を要求する。半導体産業は、SEMI(セミコンダクタ イクイップメント アンド マテリアルズ インスティテュート インコーポレイテッド:Semiconductor Equipment and Materials Institute, Inc.)によって規定された超高純度操作用仕様に従っている。これらのガイドラインは、プロセス媒体と直接接触する要素として好ましい材料および表面状態を規定する。超高純度な手段を必要とする他の規格および産業がある。 Pressure sensors are used in process monitoring and process control to monitor and / or control the process in response. Various industrial processes require that all wetted parts (ie, materials exposed to the process fluid) be ultra-pure. For example, some processing steps used in the semiconductor industry require ultra-pure operating procedures for process fluids. The semiconductor industry follows the ultra-high purity operating specifications defined by SEMI (Semiconductor Equipment and Materials Institute, Inc.). These guidelines define preferred materials and surface conditions for elements in direct contact with the process media. There are other standards and industries that require ultra-pure means.
プロセス流体の操作のために超高純度な手段を必要とする多くの産業は、新しい材料または表面をプロセス中に導入するのに抵抗する傾向にある。新しい材料を使用するためには、長期にわたる証明および試験プロセスが必要である。証明に続いて、当該産業は、新しい材料または表面がプロセスに不純物を加えないというひとつの信頼水準を作り出さなければならない。したがって、新しい材料を超高純度処理に導入することは不可能であるか、または長い時間がかかる。 Many industries that require ultra-pure means for process fluid manipulation tend to resist introducing new materials or surfaces into the process. Using new materials requires a long-term certification and testing process. Following certification, the industry must create a level of confidence that new materials or surfaces do not add impurities to the process. Therefore, it is impossible or long time to introduce new materials into ultra high purity processing.
一般的には、超高純度プロセス内で圧力を測定するために一般的に使用される圧力送信機は、圧力測定に誤り(error)がある。誤りの1つの原因は、圧力センサが超高純度技術のならわしに従わなければならないことである。このことは、圧力センサをプロセス流体から物理的に分離する隔離ダイアフラムの導入を必要とする。誤りの別の原因は、単なる圧力センサの構成および特性にある。本発明は、超高純度プロセスにおいて非常に正確な細長い圧力センサを使用するための技術を提供する。 In general, pressure transmitters commonly used to measure pressure within ultra-high purity processes have errors in pressure measurement. One source of error is that the pressure sensor must follow the practice of ultra high purity technology. This requires the introduction of an isolation diaphragm that physically separates the pressure sensor from the process fluid. Another source of error is simply the construction and characteristics of the pressure sensor. The present invention provides a technique for using highly accurate elongated pressure sensors in ultra high purity processes.
図1A、図1B、および図1Cは、それぞれ本発明の1つの実施例による細長い圧力センサ組立体100の側面斜視図、側面平面図、および正面斜視図である。圧力センサ組立体100は、細長い圧力センサ102を含む。圧力センサ102は、非常に正確な圧力センサであり、サファイアのような壊れやすい材料で作ることができる。圧力センサ102は、それら全てが本出願に参照として組み入れられる1997年6月10日に付与された米国特許5,637,802号、2000年6月27日に付与された米国特許6,079,276号、2000年7月4日に付与された米国特許6,082,199号、2000年7月18日に付与された米国特許6,089,097号、および2001年10月15日に出願された米国特許出願番号09/978,311号公報に説明されている。
1A, 1B, and 1C are a side perspective view, a side plan view, and a front perspective view, respectively, of an elongate
センサ取付けブロック104は、第1の側面106および反対側の第2の側面108を有し、その間に延在する開口部110を備えている。細長い圧力センサ102は、側面106と108との間の開口部110を通って延びている。シール(あるいは接合剤)112は、センサ102と取付けブロック104との間の境界を封止する。シール112は、例えば溶接または蝋付け結合(金ゲルマニウム、ハンダ、接着剤など)から成る。
The
このタイプのセンサ構成は、いくつかの場合において、従来技術技法より高い桁の精度で、正確な測定を提供する。センサ102は、3000psiまでの圧力で作動することができる絶対圧感知装置に基づくキャパシタンスを生成するために融合された、本質的には壊れやすい材料で作られた2つのウエハから成る。例えばスパッタリング(sputtering)によって、クロムのような金属の薄い層が、センサ102の全長にわたって堆積させられる。クロムは、漂遊容量(キャパシタンス)および電気的ノイズに対するシールドを提供する。ニッケルの層は、クロム上に堆積されて、センサが取付けブロックに装着される時に、センサに接合するために用いられる。
This type of sensor configuration in some cases provides accurate measurements with orders of magnitude higher accuracy than prior art techniques. The
このセンサ構成を使用する際の1つの困難さは、センサ102を、取付けブロック104のようなあるタイプの支持構造に、プロセスに接続可能なように取付けることである。プロセスにさらされるすべての材料が、超高純度適用の条件に合っていなければならない。材料の例としては、電解研磨された表面仕上げの、真空溶解されたオーステナイトステンレス鋼(austenitic stainless steel)、クロムおよびニッケルがある。さらに、高純度構成においては、パーフロロエラストマ(perfluoroelastomers)/フッ素共重合体(fluoropolymers)も使用されうる。
One difficulty in using this sensor configuration is attaching
本発明の1つの実施例によれば、保護要素(すなわちシース(sheath)または被膜)120が、細長い圧力センサ102およびシール112を覆う。保護要素120は、圧力センサ102およびシール112をプロセス流体123から隔離する。保護要素120には、任意の適切な技術の使用を適用することができる。様々な例を以下に説明する。
According to one embodiment of the invention, a protective element (ie, a sheath or coating) 120 covers the
動作において、圧力センサ102の遠位端部130は、印加された圧力に応答する。センサ102の近位端部134上に保持された電気接点132は、印加された圧力を表す出力を提供する。例えば、容量性極板が、遠位端部130内に保持される。キャパシタンスは、前記容量性極板の偏向およびその結果印加された圧力と関連づけられて、前記接点132を介して測定される。
In operation, the
保護要素120は、加圧された流体に接しており、加圧された流体によって印加された圧力が圧力センサ102に伝達されるように偏向する。保護要素120は、任意の適切な技術を用いて製作することができ、超高純度プロセスにおいて必要な技法に従う一方、印加される圧力が正確に反復可能に圧力センサ102に伝達されるような構成であることが望ましい。幾つかの具体的構成および製作技術を以下に説明する。しかしながら、本発明はこれらの特定の実施例に限定されるものではない。
The
1つの実施例では、保護要素120は、被膜を構成し、センサ102および取付けブロック104の少なくとも一部上に、プラスチックのような、より大きな1片の型入れ成形可能な材料を鋳造(mold)することによって製作される。1つの代案は、非常に薄い被膜を作るために高圧鋳造技術を使用する鋳造プロセスを用いることである。あるいは、鋳造片(molding piece)は厚い本体として形成され、次いで該鋳造片が加工プロセス(machining process)によるなどの材料除去プロセスをうける。保護膜120は、印加される圧力がセンサ102に伝達されるのを可能にするのに十分な程の薄さにされる。任意の適切な成型可能なプラスチックは、ポリテトラフルオロエチレン(polytetrafluoroethylene:PTFE)を含んで用いられる。センサ102の高いヤング率は、プラスチックの保護膜によるあらゆる影響を最小限にする。
In one embodiment, the
図1Cの斜視図に図示される別の実施例では、保護要素120は、センサ102上にオーバーモールドされた(overmolded)金属層からなる。材料は、センサ102が破損する温度より低い温度で鋳造されなければならない。例えば、マグネシウム合金が使用可能である。センサが金属オーバーモールドに使用される材料にかかわらず小さな圧力変化に反応できるように、オーバーモールド層120は、センサ102の感知部上では比較的に薄くなければならない。すべての接液表面は、ステンレス鋼またはクロム層で電気めっきされて、電解研磨されるのが望ましい。
In another embodiment, illustrated in the perspective view of FIG. 1C, the
図2Aは、保護要素138が、圧力センサ102を収容する柔軟なシース/被膜からなる、センサ組立体100の別の具体的実施例の斜視図である。被膜/シース138は、柔軟な材料の薄い層からなり、センサ102を収容する「バッグ」を形成する。その輪郭がセンサ102に接触し、きっちりと一致するように、シース/被膜138の開いた終端142に真空が適用される。被膜/シース138は、例えばPTFE(ポリテトラフルオロエチレン:Polytetrafluoroethylene)、PFA(パーフロロアルコキシ:Perfluoroalkoxy)、PVC(ポリ塩化ビニル:Polyvinyl chloride)、PEEK(ポリエーテルエーテルケトン:Polyetheretherketone)、またはPET(ポリエチレン・テレフタレート:Polyethylene Terephthalate)から形成することができる。被膜/シース138は、熱、熱音波(thermal sonic)、あるいは接着技術を含む任意の適切な技術によって封止される。
FIG. 2A is a perspective view of another specific embodiment of the
図2Bに図示された別の実施例では、保護要素139は、センサ102のまわりを溶接された継ぎ目を含む、金属箔の薄い層のような柔軟な金属から構成される。金属箔は、超高純度プロセスにおいて許容され、印加される圧力を圧力センサに伝達するのに十分な材料でなければならない。前述の実施例に関して説明されたパッキング材料のような中間材が、保護金属箔139とセンサ102との間の結合材として用いられるのが望ましい。また、継ぎ目溶接工程は気密性を必要とし、接液表面は電解研磨される必要がある。金属箔の材料例としては、300シリーズステンレス鋼(300 Series Stainless Steel)、ニッケルクロム合金(Nickel Chromium alloy)、ハストアロイ(Hastalloy)、エルギロイ(Elgiloy)がある。溶接は、レーザ電子ビームによって、あるいは抵抗溶接で形成されるのが望ましい。図2Bの実施例では、保護要素139は、例えば溶接などの接合方法によって取付けブロック104に結合される。
In another embodiment illustrated in FIG. 2B, the protective element 139 is constructed from a flexible metal, such as a thin layer of metal foil, including a seam welded around the
図3Aは、保護要素160が、センサ102がその中に配置される薄いチューブによって形成される本発明の別の実施例の側断面図である。保護要素160は、超高純粋なプロセス仕様を満足する材料で製作されたシースによって形成される。例えば、金属チューブが使用される。具体例としては、300シリーズステンレス鋼がある。保護要素160は、センサ102の形にほぼ一致する。
FIG. 3A is a cross-sectional side view of another embodiment of the present invention in which the
オプションのパッキング材料162は、保護膜160とセンサ102との間のすべての空間を埋めるために用いられる。パッキング材料162は、例えば、純粋なアルミナ・パウダーからなる。製作の際には、パウダーはスラリー形状で用いられ、該スラリーは遠心分離機によって保護要素160の開口部へ詰め込まれる。キャップ164は、パッキング材料162を保護膜160内に保持し、センサ102をその中に固定するために使用される。キャップ164は、例えばエポキシか低温ガラスの層であり、所望ならば湿度を遮断する役割を果たす。
別の例においては、焼結の際にパッキング材料を凝固させるために、少量の接合剤がパッキング材料162中に用いられる。例えば、十分に低い温度で焼結するか溶融するガラス粉体が、パッキング材料162を固定するために用いられることができる。
In another example, a small amount of bonding agent is used in the
パッキング材料162の別の例は、パックされた状態又は焼結させた状態のいずれか一方で用いられる金属粉を含む。金属粉は、保護膜160を永続的に封止するために、ブレイズ(braise)されるか鑞付けされる。すべての実施例において、パッキング材料は、センサ102に取付圧力を与えることなく、保護要素160とセンサ102との間を結合する。パッキング材料を焼結するかリフロー(reflow)することによって、パッキング材料の変化による性能の低下が低減される。
Another example of the packing
図3の実施例では、保護要素160は、例えば接合166によって、取付けブロック104に結合される。その接合は溶接を含む。溶接処置により、超純度装置に適切な材料を用いて、気密にできる。その後に、接液表面は電解研磨される。
In the embodiment of FIG. 3, the
図3Bおよび図3Cは、図3Aの実施例の一変形例であり、それぞれ、保護要素が、一方の端部が溶接して閉じられてセンサ102に一致するようにその中間部でスエージ加工された金属チューブの形をとる斜視図および平面図である。図3Bおよび図3Cに図示されるように、スエージ加工された部分は、保護要素161を平らにして、センサ102の形に一致させるセンサ102の遠位の長さ(distal length)に沿って延びる。しかしながら、金属チューブの近位端部はスエージ加工されず、取付けブロック104に溶接される一般的には環伏の断面を有する。上述のように、パッキング材料は、接液スエージ加工チューブからセンサへ圧力を伝達するために、媒体として、スエージ加工されたチューブとセンサとの間に挿入されるか配置されるのが望ましい。
FIGS. 3B and 3C are variations of the embodiment of FIG. 3A, in which the protective element is swaged at its middle so that one end is welded closed and coincides with the
図4は、本発明による保護膜を有する圧力センサ組立体202Aおよび202Bを含む差圧送信機200を示す。送信機200は、送信機本体204、センサ本体206、およびフランジ208を有する。センサ本体206は、それぞれプロセス流体の絶対圧P1および絶対圧P2を測定する圧力センサ組立体202Aおよび202Bを含む。送信機本体204は、4−20mAカレントループ212のような2線式プロセス制御ループを通じて、圧力P1およびP2に関する情報を送る送信機(I/O)回路210を含む。回路基板214は、センサ回路基板216をセンサ202Aおよび202Bに接続し、圧力P1およびP2に関する電気的信号を受信する。センサ回路基板216上の回路は、これらの信号をディジタル化して処理し、データバス220を用いて、送信機回路210に圧力情報を伝達する。
FIG. 4 shows a
本発明は、超高純度プロセスに好ましい構成において、非常に正確な圧力センサを利用する圧力センサ組立体を提供する。保護要素は、壊れやすい材料でできた圧力センサを取付けブロックに接合する接合剤を覆うと共に、超高純度プロセス手順に適合しない表面を覆うために用いられる。保護要素は、接合剤がプロセス流体と接触するのを妨げる一方、圧力が圧力センサに伝達されるように構成される。保護要素は、適切な材料からなり、超高純度プロセスを利用する産業にふさわしい方法で処理される。 The present invention provides a pressure sensor assembly that utilizes a highly accurate pressure sensor in a preferred configuration for ultra high purity processes. The protective element is used to cover the bonding agent that bonds the pressure sensor made of a fragile material to the mounting block and to cover the surface that is not compatible with ultra high purity process procedures. The protective element is configured to transmit pressure to the pressure sensor while preventing the bonding agent from contacting the process fluid. The protective element is made of a suitable material and is processed in a manner suitable for industries using ultra high purity processes.
本発明は好ましい実施例に関して説明されたが、当業者は、本発明の精神および範囲から逸脱しないで、形状および細部において変形できることを認識できるであろう。例えば、異なる状況では、他のタイプの被覆材料または技術が使用されてよい。さらに、保護要素を作るために用いられる様々な技術は、保護要素の形状に合わせて変形することができる。本明細書の図と説明は細長い圧力センサに関するが、ある状況のおいては、他の圧力センサ構成が本発明の範囲内に含まれる。同様に、異なる状況においては、本発明は壊れやすい材料でできた圧力センサに制限されない。他のパッキング材料としては、ヒステリシスを低減し、エラーを低減する(伝導性または非伝導性の)セラミック粉、あるいはガラスおよび光学用合成石英ガラス(SiO2)などの誘電体パウダーがある。 Although the present invention has been described with reference to preferred embodiments, workers skilled in the art will recognize that changes may be made in form and detail without departing from the spirit and scope of the invention. For example, in different situations, other types of coating materials or techniques may be used. Further, the various techniques used to make the protective element can be modified to suit the shape of the protective element. Although the figures and descriptions herein relate to elongated pressure sensors, in certain circumstances other pressure sensor configurations are within the scope of the present invention. Similarly, in different situations, the invention is not limited to pressure sensors made of fragile materials. Other packing materials include ceramic powders (conductive or non-conductive) that reduce hysteresis and reduce errors, or dielectric powders such as glass and optical synthetic quartz glass (SiO2).
100……圧力センサ組立体
102……圧力センサ
104……センサ取付けブロック
106……第1の側面
108……第2の側面
110……開口部
112……シール(接合剤)
120……保護要素
123……プロセス流体
130……圧力センサの遠位端部
132……電気接点
134……圧力センサの近位端部
DESCRIPTION OF
120 ……
Claims (19)
第1の側面、反対の第2の側面、およびそれらの間に延び、また細長い圧力センサがそこを通って延びる開口部を有するセンサ取付けブロック、
該取付けブロックと該細長い圧力センサとの間のシール、および
該圧力センサに印加される圧力を伝達するために構成された腐食性の材料と接触することによる接合剤の腐食を防ぐために、前記シールおよび細長い圧力センサの少なくとも一部分を覆う保護要素からなる圧力センサ組立体。 An elongated pressure sensor having a proximal connecting end and a distal pressure sensing end;
A sensor mounting block having a first side, an opposite second side, and an opening extending therebetween and an elongated pressure sensor extending therethrough;
A seal between the mounting block and the elongate pressure sensor; and the seal to prevent corrosion of the bonding agent by contact with a corrosive material configured to transmit pressure applied to the pressure sensor. And a pressure sensor assembly comprising a protective element covering at least a portion of the elongated pressure sensor.
近位の接続端部および遠位の圧力感知端部を有する細長い圧力センサ、
近位端部で開き、細長い圧力センサをその中に保持する遠位端部で閉じ、かつ圧力センサの形にほぼに一致する耐腐食性の材料の細長いシース、
前記シースに印加された圧力を、前記圧力センサに伝達するように構成された、前記シースと前記圧力センサの間のパッキング材料、および
前記細長いシースを前記取付けブロックに結合する、耐腐食性の材料の接合剤からなる圧力センサ組立体。 Corrosion resistant mounting block,
An elongated pressure sensor having a proximal connecting end and a distal pressure sensing end;
An elongate sheath of corrosion resistant material that opens at the proximal end, closes at the distal end holding the elongate pressure sensor therein, and substantially matches the shape of the pressure sensor;
A packing material between the sheath and the pressure sensor configured to transmit pressure applied to the sheath to the pressure sensor; and a corrosion resistant material that couples the elongated sheath to the mounting block. A pressure sensor assembly comprising a bonding agent.
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